Um inventor lutando chamado Cade Yeager (Mark Wahlberg) trabalha em um galpão e em casa no Texas, tentando pagar as contas consertando sobras e bugigangas para os vizinhos, na esperança de ficar rico com a próxima grande invenção de robótica. Ele também faz o possível para cuidar de sua filha de dezessete anos, Tessa (Nicola Peltz), cuja educação universitária depende das finanças inexistentes da família. Um dia, Cade compra uma caminhonete enferrujada e maltratada e, ao tentar consertá-la, fica surpreso ao descobrir que ela é na verdade Optimus Prime (dublado por Peter Cullen), líder dos Autobots que tem estado efetivamente exilado da humanidade. O mundo ainda está em choque pela destruição causada pelos Transformers, especialmente na cidade de Chicago, e há uma recompensa pela cabeça deles. O amigo de Cade, Lucas (T. J. Miller), prefere entregar o Transformer, e uma ligação telefônica resulta na chegada de uma equipe de espiões do governo para recuperar a “ameaça” à segurança nacional sem mandado. Cade, sua filha e Lucas mal escapam graças às habilidades de condução do namorado de Tessa, Shane (Jack Reynor). Os quatro, junto com Prime, acabam fugindo do governo e de seu colaborador secreto, um elegante caçador de recompensas Transformer chamado Lockdown (dublado por Mark Ryan). Enquanto isso, um empresário bem-sucedido da robótica chamado Joshua Joyce (Stanley Tucci) está inventando seus próprios Transformers, incluindo o veloz Stinger e o poderoso Galvatron (dublado por Frank Welker).